基于地面观测数据的重庆主城区通风量定量分析

姜 平 ，刘晓冉， 孙 佳 ，王 颖 ，李永华

(1.重庆市气候中心，重庆 401147；2.中山大学季风与环境研究中心，广东 广州 510275)

引 言

通风量也被称为通风系数或通风指数，是单位时间单位面积空气的流量，是描述边界层内大气对污染物稀释扩散能力的参数，反映大气在动力与热力的综合作用下对大气污染物的清除及扩散能力，能够指示某一地区的空气质量和污染潜势[1-2]。一般来说，某一地区通风量越大，大气对污染物的扩散能力越强，该地区的空气质量越好; 通风量越小，大气对污染物的扩散能力越弱，该地区的空气质量越差[3-6]。另外通风量的大小对大气环境容量和大气自净能力造成一定影响[7-8]。目前，通风量被广泛地应用于大气污染气象条件分析、大气环境承载力评估、城市通风廊道构建等生态环境研究及城市规划领域[9-14]。

早在1989年，国内就有研究基于探空资料分析通风量的时空分布特征，发现我国低通风量区以四川盆地为中心，高通风量区则以西北地区为中心[7]。之后李博等[15]、贺千山等[16]分别基于模式输出结果、雷达资料等分析了兰州、北京等不同地区通风量的季节变化和日变化特征。重庆地处四川盆地东部，受地理条件影响，近地面风速较小，气候基准态的平均风速不足2 m·s-1。早期的观测研究指出重庆的日平均通风量只有1038.0 m2·s-1[7]，明显小于其他地区。苏秋芳等[17]对四川盆地在干、湿西南涡系统下的通风量特征进行了分析，相关成果可为特定天气背景下的大气污染预警提供科学依据。但总体而言，针对重庆地区通风量本身多时间尺度变化特征的研究还比较少[18-22]。

本文以重庆市主城区为研究对象，采用地面气象观测站资料，对通风量进行估算，并且从气候统计的角度分析通风量及与之密切联系的混合层高度、大气稳定度和混合层平均风速的多时间尺度变化特征，以期为大气污染气象条件分析、大气环境承载力评估、区域空气质量预报服务、城市通风廊道构建等提供参考依据。

1 数据与方法

1.1 数 据

选取探测环境未发生较大改变且资料均一性较好的沙坪坝国家地面基本气象观测站(图1)代表重庆主城区，采用总云量、低云量、风速等气象要素对通风量进行估算。资料时间范围是1989年1月1日至2018年12月31日，时间分辨率为6 h。其中2007年1月1日至2008年12月31日的时间分辨率为1 h，主要用于通风量的日变化分析。

图1 重庆市主城区沙坪坝国家级地面气象观测站位置(填色为海拔高度，单位：m)Fig.1 The location of Shapingba national ground meteorological observation station in Chongqing main city zone (the shaded for altitude, Unit: m)

1.2 方 法

通风量VE(m2·s-1)可用大气混合层内水平风速在垂直方向的积分来表示，其数学表达式如下：

通风量可利用观测资料计算得到。其中一种方法是基于探空资料，通过确定水平风场和温度的垂直廓线来估算通风量[23-25]，这种方法一般较为准确，但只适用于具有高空探测的特定地点。另一种方法是基于常规地面数据的通风量估算，这种方法采用一系列的物理近似，在综合考虑大气功能分区、太阳辐射等级、大气稳定度等级、混合层厚度等因素的前提下，确定边界层通风量[26]。相对而言，后一种方法对空间地点的要求较低，具有更广的空间覆盖。

2 结果分析

2.1 重庆主城区通风量年际及年代际变化

图2为1989—2018年重庆主城区通风量年际变化、年平均通风量的M-K检验和功率谱分析，以及大气不稳定类占比、混合层高度和混合层平均风速的年际变化。可以看出，重庆主城区通风量的多年平均值为1.5×103m2·s-1，该结果与张天宇等[18]采用类似方法计算的通风量结果相当，但稍大于徐大海等[7]采用探空资料计算的结果。重庆主城区年平均通风量在2003年发生转折。1989—2002年，通风量位于较高水平，多年平均值约1.7×103m2·s-1，但通风量减少趋势明显，减少速率约50 m2·s-1·a-1。2003—2018年，通风量持续位于较低水平，多年均值不到1.3×103m2·s-1，明显低于2003年之前。但近10 a，重庆主城区通风量有增加趋势。重庆主城区年平均通风量具有准2～3 a的振荡周期。不同季节，通风量的年际变化基本一致，但振荡强度有所差异，夏季振荡幅度最大，秋季和冬季相对较小。

图2 1989—2018年重庆主城区通风量年际变化(a)、年平均通风量的M-K检验(b)和功率谱分析(c)，以及大气不稳定类占比(d)、混合层高度(e)和混合层平均风速(f)的年际变化Fig.2 The inter-annual variations of ventilation quantity (a), M-K test (b) and power spectrum (c) of annual mean ventilation quantity, and annual variation of percentage of atmospheric instability types (d), mixed layer height (e) and mixed layer mean wind speed (f) in Chongqing main city zone during 1989-2018

通风量与大气稳定度、大气混合层高度和混合层平均风速密切相关。一般来说，大气越不稳定，边界层湍流交换和垂直混合越强，混合层高度越高，如果混合层平均风速也较大，则通风量较大。不管是年平均还是季节平均，大气不稳定类(强不稳定、不稳定和弱不稳定3类合计)占比与混合层高度年际变化均较一致，呈略微上升趋势，体现了两者的直接联系。混合层平均风速在1996年前后出现明显差异，1989—1996年及1996—2018年期间其均值分别为1.58和1.83 m·s-1。在年代际尺度上，通风量与混合层高度、混合层平均风速的变化并不一致，可能与大尺度背景场的气候变化有关。在年际变化上，年平均大气不稳定类占比与混合层高度显著相关，两者相关系数为0.38(通过α=0.05的显著性检验)，表明大气稳定度与混合层高度存在密切联系。然而，年平均混合层高度、混合层风速与通风量的相关均不显著。季节平均上，大气稳定度、混合层高度和混合层风速与通风量的相关性与年平均基本一致。重庆主城区的通风量以及大气稳定度、混合层高度和混合层风速的年际变化，仍然需要从大气内部自身变率以及外部强迫(如下垫面的改变等)寻求可能的成因。

2.2 重庆主城区通风量季节变化

图3为1989—2018年重庆主城区通风量、大气不稳定类占比、混合层高度和混合层平均风速的月变化。可以看出，通风量与大气不稳定类占比、混合层高度、混合层平均风速的月变化基本一致。大气不稳定类占比与混合层高度、通风量与混合层高度、通风量与混合层平均风速的相关系数分别为0.95、0.99和0.98，均通过α=0.01的显著性检验。通风量夏半年明显大于冬半年，峰值出现在8月，为2.12×103m2·s-1，谷值出现在1月，不到1.3×103m2·s-1。产生这种季节差异的原因可能与太阳辐射的季节变化有关。夏半年太阳辐射强，地面加热导致大气更容易出现不稳定状态，导致边界层垂直混合更强，混合层高度更高，混合层风速更为均匀且接近边界层上层风速，这些作用共同促使通风量增大。

图3 1989—2018年重庆主城区通风量(a)、大气不稳定类占比(b)、混合层高度(c)和混合层平均风速(d)的月变化Fig.3 Monthly variations of ventilation quantity (a), percentage of atmospheric instability types (b), mixed layer height (c) and mixed layer mean wind speed (d) in Chongqing main city zone during 1989-2018

然而，重庆地区的通风量在6月存在低值拐点，这可能与降水的影响有关。重庆降水6月达到最大，与降水相联系的天气系统或天气现象(例如云层)可能会减弱太阳短波辐射，抑制地面加热，使大气趋向稳定，从而减弱边界层的垂直混合，使混合层高度降低。近地面空气因垂直混合减弱不能与上层空气充分混合，使混合层平均风速降低，这些作用导致重庆地区6月的通风量较小。

2.3 重庆主城区通风量日变化

图4为2007—2008年重庆主城区通风量、大气不稳定类占比、混合层高度和混合层平均风速的日变化。可以看出，年平均通风量存在明显的日变化特征。日出后，通风量明显增加，14:00(北京时，下同)达到峰值，约为2.0×103m2·s-1，直至20:00左右维持一个较高水平。年平均通风量与年平均混合层高度的日变化显著相关，相关系数达0.94，通过α=0.01的显著性检验。混合层在12:00—17:00充分发展，其高度夏季可达1000 m。混合层高度的日变化与地面加热有关，沙坪坝站近地面气温午后迅速升高，并在16:00达到峰值(图略)。该时间段内，边界层热力作用明显并充分混合，混合层高度处于较高水平。大气不稳定度类占比也存在类似的日变化。混合层平均风速峰值出现时间较混合层高度滞后，并能维持到20:00。日落之后，虽然地面加热少，但重庆特有的丘陵河谷地形使得热量难以散去，尤其是在夏季，高温往往能够持续到午夜。这种情况下，边界层的垂直混合仍然存在，近地面空气在获得上层空气动量后明显加速，使得混合层平均风速处于一个较高水平。在混合层高度和混合层平均风速的作用下，通风量产生了显著的日变化特征。

图4 2007—2008年重庆主城区通风量(a)、大气不稳定类占比(b)、混合层高度(c)和混合层平均风速(d)的日变化Fig.4 Diurnal variations of ventilation quantity (a), percentage of atmospheric instability types (b), mixed layer height (c) and mixed layer mean wind speed (d) in Chongqing main city zone during 2007-2008

春、夏、秋、冬4个季节的通风量、大气不稳定度类占比、混合层高度和混合层平均风速的日变化特征和年平均的日变化较为一致。

3 结论和讨论

(1)重庆地处四川盆地东部丘陵河谷区，气候条件不利于大气污染物的扩散。近30 a，重庆主城区通风量阶段性变化明显，2003年以前位于一个较高水平，并具有明显的减少趋势；2003年以后位于较低水平，且有增加趋势。四季的年代际变化与年平均基本一致。

(2)重庆主城区通风量具有2～3 a的振荡周期。在不同季节，通风量的年际振荡强度有所差异，夏季振荡幅度最大，秋季和冬季相对较小。

(3)重庆主城区通风量与混合层高度和混合层平均风速显著相关。通风量的季节差异明显，夏季最大，冬季最小。该变化可能主要由太阳辐射和当地降水的季节变化引起。

(4)重庆主城区通风量的日变化与混合层高度及混合层平均风速基本一致，在午后达到最大，甚至能维持到傍晚。这些变化可能受地面加热以及边界层垂直混合状况所控制。

基于地面观测数据计算的通风量，常采用多种近似，如风速随高度变化的指数律中切变指数的近似等，这些直接导致计算结果的不确定性。比如日变化的计算结果表明，混合层可以在晚上出现，并且达到几百米的高度，这可能与重庆地区夜间边界层的实际情况存在出入。因此，文中所依据的国家标准《大气自净能力等级》[29]中通风量的计算方法是否在重庆本地适用，需后续采用更多的观测资料(如探空廓线等)进行验证。

本文侧重于分析重庆主城区通风量及与之密切联系的混合层高度、大气稳定度和混合层平均风速的多时间尺度变化特征，然而对造成其变化的主要原因涉及较少。例如，重庆主城区通风量在2003年前后发生转折且具有2～3 a振荡周期等的主要原因目前还不清楚，后续工作需联系重庆气候实际，进行归因分析。

通风量反映大气在动力与热力综合作用下对大气污染物的清除及扩散能力，能够在一定程度上指示某一地区的空气质量和污染潜势。不少研究都将通风量与环境空气质量指标(如AQI)联系起来，分析大气环境承载力、大气自净能力等的长时间变化特征[8,18,20]。然而，重庆地形复杂，立体气候显著，不同地区通风量可能存在明显差异，今后研究需针对不同的地域特征，结合更多更全面的环境监测数据，深入分析通风量与空气质量的关联，从而为地方空气质量预报服务以及城市通风廊道规划等提供参考依据。